На алюминиевом производстве в Китае введен в строй ВТСП кабель постоянного тока на 10 кА
2012, Tом 9, выпуск 4
Тематика: ВТСП провода и кабели
В последние годы альтернативная энергетика быстро набирает обороты. Количество энергии, вырабатываемой, например, ветровыми станциями ежегодно увеличивается более, чем на 20%. Отличительными особенностями ветроэнергетики являются сильная неравномерность вырабатываемой мощности во времени и удаленность источника электроэнергии от потребителя, что делает ВТСП кабели постоянного тока особенно привлекательными. По сравнению с обычными воздушными линиями электропередач, ВТСП кабели обладают значительно меньшими потерями энергии, большей эффективностью и компактностью.
Специалисты в области прикладной сверхпроводимости из Institute of Electrical Engineering, Китайской Академии Наук разработали и изготовили ВТСП кабель постоянного тока с теплым диэлектриком длиной 360 м. Номинальный ток ВТСП кабеля составил 10 кА. Помимо собственно ВТСП кабеля были разработаны и изготовлены две токовводные муфты и система криогенного обеспечения.
Рис. 1. Фотография ВТСП кабеля постоянного тока на 10 кА.
На Рис. 1. изображена фотография изготовленного ВТСП кабеля. Он состоит из основы – формера, ВТСП лент и защитной оплетки. В качестве проводника в кабеле используются ВТСП ленты на основе соединения Bi-2223, намотанные в 5 слоев. Один из слоев намотан из сверхпроводящей ленты с критическим током в 90 А (при 77 К в собственном поле) шириной 4,3 мм и толщиной 0,27 мм производства компании Innova Superconductor Technology (Китай). Четыре других слоя намотаны из DI-BSCCO ленты производства японской компании Sumitomo Electric Industries, критический ток ленты составляет 150 А (при 77 К в собственном поле), ширина – 4,5 мм, а толщина –0,36 мм. Диаметр ВТСП кабеля составил 46,2 мм. Для изготовления кабеля длиной 360 м потребовалось 46 км ВТСП лент.
Рис. 2. Соединение частей криостата с помощью штыковых разъемов с вакуумной теплоизоляцией.
Криостат, окружающий проводящий кабель, состоит из двух сильфоновых концентрических труб из нержавеющей стали, пространство между которыми заполнено экранно-вакуумной теплоизоляцией. Рабочая температура кабеля находится в диапазоне 70 – 77 К. Испытания показали, что тепловые потери для гибкого криостата не превышают 1,0 Вт/м. Так как общая длина криостата превышает 350 м, его пришлось изготовить в виде восьми отдельных частей соединенных друг с другом с помощью штыковых разъемов с вакуумной теплоизоляцией. При таком способе стыковки потери тепла составляют около 3 Вт в каждом соединении. На Рис. 2 показана коммутация частей криостата с помощью штыковых разъемов. Метод стыковки отдельных частей криостата, использованный при реализации данного проекта, будет полезен и при разработке других кабельных систем в будущем. Изготовленный ВТСП кабель является кабелем с теплым диэлектриком, поэтому его изоляция накладывается поверх гибкого криостата традиционным способом. Внешний диаметр ВТСП кабеля в покрытом изоляцией криостате составляет151 мм.
Рис. 3. Токовводные муфты ВТСП кабеля постоянного тока на 10 кА.
Токовводная муфта ВТСП кабеля имеет в длину 6,15 м (см фото на Рис. 3) и состоит из криостата, токоввода и спая между токовводом и концом ВТСП кабеля. Токовводы на номинальный ток в 10 кА имеют 2,9 м в длину, их сечение составляет 91,1 см2, а теплоприток в расчете на один токоввод не превышает 43 Вт/кА.
Рис. 4. Схема охлаждения ВТСП кабеля постоянного тока.
Схема системы криогенного обеспечения ВТСП кабеля приведена на Рис. 4. В качестве хладагента используется переохлажденный жидкий азот, который подается в кабель при помощи циркуляционного криогенного насоса. Для возврата жидкого азота служит независимая криогенная магистраль. В системе поддерживается температура 70 К, и давление в диапазоне 1 – 5 бар. Возвращающийся из кабеля жидкий азот охлаждается четырехцилиндровым рефрижератором производства Stirling Cryogenics, хладопроизводительность которого составляет 4 кВт при 77 К и 3,3 кВт – при 70 К.
Для демонстрации работы на полном транспортном токе ВТСП кабель был установлен на территории завода по производству алюминия Henan Zhongfu Industrial Co. Ltd. и соединил подстанцию и шинопроводы, питающие электролизеры для выплавки алюминия. На трассе прокладки кабеля было выполнено 9 изгибов, из которых 3 вертикальных и 6 горизонтальных. Места стыка частей криостата приходятся на ровные участки. Минимальный радиус изгиба ВТСП кабеля составил 3 м. Этот ВТСП кабель будет использоваться для обеспечения завода электроэнергией совместно с кабелем традиционного исполнения.
1. L.Xiao et al. Development of a 10 kA HTS DC Power Cable, IEEE Transactions Applied superconductivity, v.22 ,N 3, 5800404, (2012).